“反電動(dòng)勢(shì)法”永磁直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言
    永磁直流無(wú)刷電機(jī)(BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化電機(jī)，除了有普通直流電機(jī)調(diào)試性能好、調(diào)速范圍寬和調(diào)速方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)外，還有功率因素高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別是由于它不存在機(jī)械換相器與電刷，大大的減少了換相火花，機(jī)械磨損和機(jī)械噪聲，使得它在中小功率范圍內(nèi)得到了更加廣泛的應(yīng)用，是電機(jī)的主要發(fā)展方向之一。
    對(duì)于永磁直流無(wú)刷電機(jī)的控制方式，可以分為兩大類：有位置傳感器控制方式和無(wú)位置傳感器控制方式。典型的有位置傳感器控制方式是使用霍爾傳感器控制方式。無(wú)位置傳感器控制方式是目前比較廣泛使用且較為新穎的一類控制方式，包含有：反電動(dòng)勢(shì)控制方法、磁鏈計(jì)算法、狀態(tài)觀測(cè)器法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)控制法等。反電動(dòng)勢(shì)控制方法中對(duì)驅(qū)動(dòng)橋和電機(jī)在外電路過(guò)流時(shí)的保護(hù)極為重要，對(duì)軟件發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)負(fù)載的保護(hù)也提出了較高的要求，本文采用反電動(dòng)勢(shì)控制方法，以直流無(wú)刷稀土電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了兩個(gè)電流保護(hù)模塊和一個(gè)數(shù)字邏輯保護(hù)電路，提高了系統(tǒng)工作時(shí)的安全性，具有較大的研究意義。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用PWM反饋控制方式的典型閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)其中還創(chuàng)新性的加入了邏輯保護(hù)電路和兩路電流保護(hù)電路，控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由轉(zhuǎn)速參考值n0與實(shí)際轉(zhuǎn)速的反饋值n相比較，得到的偏差送到轉(zhuǎn)速控制器，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算后輸出控制信號(hào)到PWM控制器，PWM控制器則產(chǎn)生三相橋試逆變器主開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，然后由主開(kāi)關(guān)完成對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)定子電流的通斷，并產(chǎn)生平均意義上旋轉(zhuǎn)的定子電樞合成磁勢(shì)，由定子電樞合成磁勢(shì)帶動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了永磁無(wú)刷直流電機(jī)的自同步控制。
    研究對(duì)象永磁直流無(wú)刷稀土電機(jī)將磁體粘貼到轉(zhuǎn)子鐵心表面，組成所謂的隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其定子三相對(duì)稱繞組采用整距、集中繞組，無(wú)中線引出線，由電機(jī)學(xué)原理可知反電動(dòng)勢(shì)的波形為一梯形波，而且電機(jī)中A、B、C三相是對(duì)稱的，它們的反電動(dòng)勢(shì)只在相位上依次落后120度。再考慮到定子每相繞組的反電動(dòng)勢(shì)正比于轉(zhuǎn)子角速度，有圖2所示關(guān)系。

由此得出反電動(dòng)勢(shì)法控制規(guī)律的重要結(jié)論為：通過(guò)測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并不是測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)大小，而是反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)后再延時(shí)30度電度角就是轉(zhuǎn)子電流下一次換相時(shí)刻。但反電動(dòng)勢(shì)無(wú)法直接測(cè)量得到，可通過(guò)測(cè)量電機(jī)端電壓來(lái)間接獲取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)重難點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)逆變電路，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和電路保護(hù)模塊三大部分。驅(qū)動(dòng)逆變電路包含驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)橋式電路兩個(gè)部分，驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2130驅(qū)動(dòng)芯片，它是專用的三相橋式電路驅(qū)動(dòng)芯片，可以直接驅(qū)動(dòng)中小容量的MOSFET、IGBT、MCT等，而且只需一個(gè)供電電源，工作頻率從幾十赫茲到上百千赫茲，內(nèi)部還設(shè)置有過(guò)流和欠壓保護(hù)使得在驅(qū)動(dòng)功率管時(shí)更加安全可靠。[!--empirenews.page--]
    驅(qū)動(dòng)橋式電路常用方案有：三相半橋驅(qū)動(dòng)，電容儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)和三相全橋驅(qū)動(dòng)。三相全橋驅(qū)動(dòng)由六只功率管構(gòu)成三相六臂全控橋，雖然增加了功率開(kāi)關(guān)管的數(shù)量，但增大了轉(zhuǎn)矩輸出且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于三相半橋驅(qū)動(dòng)，復(fù)雜性與可靠性上也優(yōu)于電容儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)，而且起動(dòng)特性和低速平穩(wěn)性都較好，因此本系統(tǒng)采用此方案。如圖3所示，為驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)橋式電路(只接了一相的上下橋臂)的硬件電路設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路用于測(cè)取電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信息，從而獲得轉(zhuǎn)子位置，而且是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

電機(jī)端電壓檢測(cè)共分為A、B、C三相，現(xiàn)以A相為例，先將輸入到IR2130的B和C相驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)PWM B和PWM C通過(guò)與非門反相，得到B、C兩相上橋臂的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)相與的波形，然后跟單片機(jī)輸出控制口信號(hào)Ctr_A相與。當(dāng)單片機(jī)輸出控制口為l時(shí)，D觸發(fā)器時(shí)鐘端為B、C兩相PWM驅(qū)動(dòng)波形相與的信號(hào)；當(dāng)單片機(jī)輸出口為0時(shí)，D觸發(fā)器時(shí)鐘端為低電平，封鎖D觸發(fā)器輸出，使D觸發(fā)器輸出保持不變，從而通過(guò)編寫軟件控制單片機(jī)輸出口，使得每個(gè)狀態(tài)，只有一個(gè)D觸發(fā)器開(kāi)通，且在續(xù)流階段封鎖D觸發(fā)器輸出，這樣可以很大程度的避免反電動(dòng)勢(shì)虛假過(guò)零點(diǎn)對(duì)零點(diǎn)信息測(cè)量的影響。
    電流保護(hù)電路包括兩個(gè)部分。第一部分如圖3所示。
通過(guò)R7、R8、R9三個(gè)電阻將驅(qū)動(dòng)橋的電壓信號(hào)采集到IR2130中，一旦外電路發(fā)生過(guò)流或直通，IR2130內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，故障處理單元輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)輸出口，同時(shí)引腳FAULT向MCU發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由此完成第一部分電流保護(hù)功能且要通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具體的功能響應(yīng)。第二部分電流保護(hù)主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)橋，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

保護(hù)電路通過(guò)R10于Rll將驅(qū)動(dòng)橋下橋臂的電壓采集到LM393的正向輸入端，可以和事先設(shè)定的Verf進(jìn)行比較，當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋電流過(guò)大時(shí)，LM393輸出高電平，使得Q1、Q2、Q3都導(dǎo)通，由此降低下橋臂MOS管的柵源電壓，達(dá)到保護(hù)MOS管的目的。
    三相全橋的驅(qū)動(dòng)控制是由MCU通過(guò)PWM方式實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)軟件運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可能會(huì)使得同一橋臂的上下兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，這將造成短路，極易燒壞MOS管，由此設(shè)計(jì)了邏輯保護(hù)電路模塊，使得同一橋臂上下兩個(gè)MOS管不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的情況。邏輯保護(hù)電路輸入與輸出的邏輯關(guān)系如表1所示。

表1輸入輸出邏輯關(guān)系

[!--empirenews.page--]

通過(guò)表1的邏輯關(guān)系，同一橋臂上下橋臂的輸入信號(hào)互鎖，使得不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的情況。硬件電路的連接由表l邏輯關(guān)系而定，而且可以通過(guò)與非門電路搭建而成，在此不再詳述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    MCU輸出控制信號(hào)控制三相全橋驅(qū)動(dòng)逆變電路，在軟件實(shí)現(xiàn)上可以采用不同的控制規(guī)律，常用的控制方式有：三三導(dǎo)通控制方式，兩三輪流導(dǎo)通控制方式和1200導(dǎo)通型控制方式。它們?cè)诳刂菩阅苌舷嗖畈淮螅鞠到y(tǒng)采用1200導(dǎo)通型控制方式，控制規(guī)律為：(1)每隔600換流一次；(2)任何時(shí)候只有兩只開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通；(3)每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通1200根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)和1200導(dǎo)通型控制規(guī)律，橋臂與MOS管對(duì)應(yīng)關(guān)系為：A上橋臂：Tl，A下橋臂：T4；B上橋臂：T3，B下橋臂：T6；C上橋臂：T5，C下橋臂：T2。各MOS管導(dǎo)通順序如表2所示。

表2MOS管導(dǎo)通規(guī)律

采用反電動(dòng)勢(shì)法控制直流無(wú)刷稀土電機(jī)，在起動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速很小，無(wú)法獲得反電動(dòng)勢(shì)，因此電機(jī)起動(dòng)順利完成要通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。常用的起動(dòng)方式有：外同步驅(qū)動(dòng)起動(dòng)方式和預(yù)定位起動(dòng)方式。外同步驅(qū)動(dòng)方式指以變頻方式同步拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這種起動(dòng)方式的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是不可知的，轉(zhuǎn)子可能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)也可能逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；另外，如果頻率上升太快，電機(jī)很容易失步。預(yù)定位方式起動(dòng)是在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)給電機(jī)一個(gè)確定的通電狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子定位。然后改變電機(jī)的通電狀態(tài)，在電磁力矩的作用下使轉(zhuǎn)子向確定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中把電機(jī)切換到無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行方式。這樣，一方面使繞組中具有一定大小的反電勢(shì)信號(hào)，另一方面電動(dòng)勢(shì)的相序是固定的而非隨機(jī)的，保證電機(jī)有一個(gè)確定的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的順利起動(dòng)。

4 總結(jié)
    采用以上分析設(shè)計(jì)的控制方案控制直流無(wú)刷稀土電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了反電動(dòng)勢(shì)法無(wú)傳感器控制方式。同時(shí)采用兩個(gè)電流保護(hù)模塊，一個(gè)從硬件上實(shí)現(xiàn)保護(hù)，一個(gè)從軟件方面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，使得電機(jī)在外電路過(guò)流與直通發(fā)生時(shí)能更好的保護(hù)整個(gè)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，相比較于只采用硬件保護(hù)電路或軟件保護(hù)的反電動(dòng)勢(shì)控制方法更加靈活安全。還特別的加入了邏輯保護(hù)電路模塊使得在軟件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)的安全。整個(gè)系統(tǒng)在分析設(shè)計(jì)方面還有改進(jìn)的空間，希望其他讀者能從以下方面進(jìn)行改進(jìn)。
    (1)更好的解決反電動(dòng)勢(shì)虛假過(guò)零點(diǎn)問(wèn)題。
    (2)有待研究更快更好的啟動(dòng)方法。